Физики из Китайского научно-технологического университета (Шанхай), Университета Вюрцбурга и Сент-Эндрюсского университета усовершенствовали работу одного из видов квантовых вычислителей — бозонного сэмплера. По словам авторов, теперь устройство превосходит ENIAC (первый универсальный классический компьютер) примерно в 220 раз в определенном классе задач. Ученые полагают, что бозонные сэмплеры смогут в ближайшее время продемонстрировать превосходство квантовых систем над современными классическими компьютерами. Исследование опубликовано в журнале Nature Photonics, кратко о нем сообщает агентство Синьхуа.

Схема бозонного сэмплера, разработанного китайскими физиками. От трех до пяти одиночных фотонов входят в оптическую схему в левом нижнем углу и, путешествуя различными оптическими путями, интерферируют на однофотонных детекторах, строя распределение случайных величин. Hui Wang et al. / Nature Photonics, 2017

Считается, что квантовые компьютеры способны значительно превзойти обычные, классические вычислители — это позволит решать задачи, ранее недоступные для ученых. Например, очень сложными для компьютеров оказываются вычисления свойств различных молекул — они основаны на законах квантовой механики. Однако превосходство квантовых вычислителей над традиционными системами было продемонстрировано лишь частично. Так, в конце 2015 года компания Google показала, что системы квантового отжига D-Wave могут многократно обгонять компьютеры при решении специально созданных задач оптимизации.

Для квантовых компьютеров производительность и ускорение, по сравнению с классическими системами напрямую зависит от числа кубитов — квантовых битов, существующих в суперпозиции состояний «нуля» и «единицы». Ученые ожидают, что квантовым компьютерам потребуется около 50 кубитов чтобы достичь превосходства — сейчас в лабораторных устройствах количество кубитов не превышает 10–15. Однако в некоторых специальных квантовых вычислителях можно обойтись меньшим количеством контролируемых квантовых частиц — например, для бозонных сэмплеров достаточно 20–30 фотонов.

Бозонные сэмплеры — это вычислители, с помощью которых можно быстро строить распределение случайных величин. В них несколько фотонов движутся по разветвляющимся и пересекающимся оптическим путям, интерферируя между собой. Подробнее о них можно прочитать в новости о предыдущем результате этой научной группы — запутывании сразу 10 фотонов для сэмплера. Среди применений устройства — расчет колебательных спектров молекул, необходимый, например, для анализа химического состава материалов

Помимо количества фотонов, участвующих в работе сэмплера, на скорость его работы также влияет и частота считывания состояний фотонов. В новой работе ученые смогли значительно ее увеличить — примерно в 24 тысячи раз по сравнению с предыдущими экспериментами. По словам авторов, ключевым для достижения результата стала разработка высококачественных однофотонных источников на основе нанокристаллов полупроводников. Эти модули возбуждаются с помощью пикосекундных импульсов лазера (длящихся триллионную долю секунды) и генерируют 25,6 миллиона поляризованных одиночных фотонов в секунду, что является лучшим показателем по яркости в мире.

В качестве оптического стола с различными оптическими путями для фотонов авторы использовали программируемую интегральную оптическую схему — она определяла распределение, которое генерировал сэмплер. В нее входило 36 светоделителей — полупрозрачных зеркал. Ученые проверили работу устройства с тремя, четырьмя и пятью фотонами, создающими распределение. Для трехфотонных устройств частота генерации составила около пяти тысяч герц (в предыдущих работах эта величина не превышала двух десятых герца). По словам авторов, если использовать в установке однофотонные детекторы на сверхпроводящих нанонитях, то эту величину можно будет дополнительно увеличить в 26 раз.

С ростом скорости считывания и генерации распределений у физиков возникает возможность использовать большее количество фотонов в бозонном сэмплере. Так, если в прошлой работе с 10-фотонным семплером частота генерации составляла 11 штук в час, то в новой установке частоты того же порядка можно будет достигнуть уже с 14 фотонами. По словам авторов, если усовершенствовать схему генерации одиночных фотонов, ускорив их генерацию почти на 75 процентов, то можно будет ожидать скорости считывания 20-фотонных событий в 130 штук в час.

Физики сравнивают производительность новой системы с первым компьютером, созданном человеком, — ENIAC. По оценкам ученых, созданная схема трехфотонного сэмплинга превосходит скорость решения той же задачи с помощью ENIAC в 220 раз. Авторы утверждают, что создали первый вычислитель на одиночных фотонах, который смог обогнать классический компьютер.

Автор: Владимир Королёв